碳化硅技术赋能EA10000系列电源的技术解析与优势对比

为了减缓气候变化，人类在非化石燃料和可再生能源解决方案方面取得了显著进展，交通领域的电气化进程也在加速推进。这些新兴技术大多对电源提出了更高的要求，尤其是对大功率的需求。例如，电动汽车（EV）的电池包电压已高达900 VDC以上，容量可达95kWh；快充和超充系统功率更是轻松突破240kW。氢燃料电池堆作为另一种汽车供电技术，其功率可超过500kW，电流高达1000A。

市场需求下的挑战

一方面，我们需要摆脱化石燃料，另一方面，全球能耗又在不断攀升。服务器农场就是一个能源需求更高的例子。为了有足够的可再生能源来支撑运行，服务器场正从交流配电转型为直流配电，其工作电压达360VDC，电流容量达2000A。此外，许多新兴技术直接把电压拉到1800 VDC的级别。


面对测试这些大功率产品的市场要求，EA需要开发输出功率更大、输出电压更高、以及有助于减小测试系统体积并降低能耗成本的电源。

硅晶体管电源的局限性

基于硅的MOSFET（金属 - 氧化物 - 半导体场效应晶体管）设计需要三个开关晶体管才能实现5kW的功率输出。由于MOSFET的降额要求为30%，单个5kW功率模块需要串联三个500VDC模块才能达到1500VDC。三个5kW功率模块组成一个15kW的电源设备。为了满足150kW的负载需求，测试系统设计人员需要十个15kW的电源，这些电源足以填满一个42U高、19英寸宽的测试机架。如果负载需求进一步增加到450kW，测试系统将需要三个这样的机架，占用18平方英尺的空间。在这种情况下，如果这些电源以最大93%的效率运行，测试系统将产生31.5kW的热量，需要有效的散热措施来处理。

而考虑到实现新型电源所要达到的目标，更是困难重重，设计团队决定采用碳化硅功率晶体管。下文介绍了碳化硅技术相比硅的替代方案的优势。

碳化硅MOSFET的效率优于硅IGBT

三相系统电源的先代产品使用硅绝缘栅双极型晶体管（IGBT）。IGBT能够支持1200V的电压并且提供大电流。然而，IGBT的导通和开关损耗很高。相比之下，碳化硅MOSFET作为一种高功率半导体器件，其导通和开关损耗显著低于传统硅IGBT。如图1所示，当用作开关时，碳化硅MOSFET的电压降明显低于等效IGBT。碳化硅MOSFET的导通电阻（RDS(on)）在低负载条件下也低于饱和IGBT的pn结电阻，从而降低了导通损耗。此外，开关损耗的差异更为显著。硅IGBT的电容更高，且关断时间更长。图1表明，碳化硅MOSFET的开关能量损耗仅为IGBT的1/10。


图1. 碳化硅MOSFET与硅IGBT之间的开关损耗和导通损耗比较

碳化硅晶体管的开关速度优于硅晶体管

由于碳化硅MOSFET的开关时间更短，因此这些晶体管可以以更快的开关速度运行。图2显示，碳化硅MOSFET的dv/dt速率几乎是硅MOSFET的两倍，无论是开启还是关断。

图2. 硅MOSFET（上图）与碳化硅MOSFET（下图）的开启和关断速率

碳化硅晶体管的可靠性更高

从可靠性角度来看，碳化硅MOSFET的实际击穿电压高于其数据手册规格（见图3）。这一特性表明碳化硅MOSFET在面对瞬态过压时具有更强的鲁棒性。在低温条件下，碳化硅MOSFET仍能保持特定的击穿电压，而IGBT制造商则无法保证其产品在低温下的击穿电压。例如，一个额定1200V的IGBT在-30°C时无法耐受1200V的电压，必须进行降额处理。


图3. 碳化硅MOSFET的实际击穿电压与温度的关系。该图表示了来自三个不同生产批次的15个组件的测量结果。

碳化硅晶体管空间占用更少

碳化硅和硅功率半导体之间的另一个显著差异是芯片尺寸。首先，碳化硅芯片比等效功率的硅晶体管芯片更小。其次，硅晶体管需要一个反向偏置二极管，以允许在集电极和发射极之间进行双向电流流动。碳化硅晶体管的源 - 漏通道可以在两个方向上导电。此外，碳化硅晶体管的寄生体二极管是晶体管结构的一部分。因此，硅晶体管所需的额外二极管对于碳化硅晶体管来说是不需要的。

以一个1200V的晶体管为例，碳化硅晶体管芯片面积大约是硅晶体管芯片面积的1/4。因此，碳化硅组件在功率电路中的布局可以表现出更低的杂散电感。总体而言，更小的碳化硅封装使得最终产品能够实现更高的功率密度。

EA10000系列电源实现的目标

EA公司凭借先进的碳化硅（SiC）技术，成功开发出4U/30kW和6U/60kW的高性能可编程电源，其输出电压最高可达2000V。与传统基于硅晶体管的同类产品相比，这些电源在多个关键性能指标上实现了显著提升：效率提高了3%，功率密度提升了37%，240W电源系统的占地面积减少了33%，热量产生降低了42%，每瓦成本也降低了15% - 20%。

EA10000系列开关模式交流-直流转换器利用碳化硅晶体管的高开关速度，其开关频率可达60kHz，比其他制造商电源中开关频率约为30 - 40kHz的直流 - 直流转换器快30%。这一更高的开关频率不仅使磁性元件和放大器的尺寸得以显著减小，还使磁性元件的质量减少了30%，并且设计中少了一个电感元件，从而节省了宝贵的空间并进一步减少了废热的产生。

EA10000系列可编程直流电源的开发目标是：

• 实现比现有可编程电源更高的效率；
• 将直流输出电压提升至2000V；
• 提高功率密度以减小设备体积；
• 降低每瓦成本。

在设计过程中，团队深入探讨了是采用传统的基于硅（Si）晶体管技术，还是采用更新的碳化硅（SiC）功率晶体管。如果使用现有的硅半导体技术，在开关模式设计下，电源设备的能效最高可达93%，并且当采用5kW功率模块时，可实现的功率密度为9.2W/in³。